基于STPA和模糊BN的裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險分析*

王軍武，潘子瑤，王 靖，田夢圓，劉 森

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

在大力推進建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的現(xiàn)實背景下，裝配式建筑以其節(jié)能、降耗、環(huán)保的顯著優(yōu)勢成為促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵[1]。然而在裝配式建筑吊裝施工過程中，作業(yè)空間并行多維、可視性差、危險性較高，極易發(fā)生施工安全事故。因此，如何科學(xué)、合理地評估吊裝作業(yè)安全風(fēng)險狀態(tài)，對裝配式建筑施工安全管理水平的提高具有重要意義。

對于裝配式建筑施工安全風(fēng)險因素的識別，國內(nèi)外學(xué)者主要采用文獻調(diào)查法、德爾菲法[2]、事件鏈[3-5]等基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)安全分析方法，但上述方法未能充分考慮因系統(tǒng)因素間的交互作用而導(dǎo)致的事故，對因素間的作用機理缺乏深入分析，同時缺乏對因素間非線性邏輯關(guān)系的描述。裝配式建筑吊裝施工工藝復(fù)雜，風(fēng)險因素間存在復(fù)雜的因果關(guān)系，而系統(tǒng)理論過程分析 ( System Theoretic Process Analysis，STPA)是1種新的危險分析理論，能夠充分描述復(fù)雜系統(tǒng)中的因素交互關(guān)系[6]，對于全面分析裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險因素有著顯著優(yōu)勢。

國外在裝配式建筑安全評價方面已有健全的標(biāo)準(zhǔn)體系，采用的評價方法主要是模糊綜合評價法、層次分析法、屬性數(shù)學(xué)等[7-8]。國內(nèi)學(xué)者將灰色聚類、云模型、可變模糊集等應(yīng)用于裝配式建筑施工安全分析[9-11]?？紤]到裝配式建筑吊裝施工中存在較多的不確定性，上述安全評價方法不能較好地處理不確定性問題，而模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)( Fuzzy Bayesian Network，F(xiàn)BN)具有強大的不確定性問題處理能力，對于解決復(fù)雜系統(tǒng)中多因素關(guān)聯(lián)引起的施工安全風(fēng)險有很大的優(yōu)勢[12]。

鑒于此，本文擬將STPA和模糊BN進行結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑吊裝施工過程中的控制關(guān)聯(lián)模型和反饋回路，量化風(fēng)險因素間的因果關(guān)系及風(fēng)險的傳遞機理，從而實現(xiàn)對吊裝施工安全風(fēng)險的全面分析與評估。

1 STPA原理

STPA是由Leveson提出來的1種基于系統(tǒng)理論事故模型(Systems-Theoretic Accident Model and Process，STAMP)的安全分析方法。在STAMP模型中，系統(tǒng)被視為相互關(guān)聯(lián)組件的集合，通過信息傳遞和控制執(zhí)行的反饋回路保持動態(tài)平衡狀態(tài)。從這個意義上講，復(fù)雜系統(tǒng)中的事故并非僅因獨立的組件故障而發(fā)生，而是在控制系統(tǒng)未能充分處理外部干擾、組件故障或系統(tǒng)組件之間的功能失靈的交互作用時發(fā)生的。

STPA主要用于分析已辨別的系統(tǒng)危險致因，通過分析系統(tǒng)內(nèi)部控制反饋結(jié)構(gòu)中可能導(dǎo)致危險狀態(tài)的控制問題，逐步確定導(dǎo)致系統(tǒng)危險的根本原因，并提出相應(yīng)安全約束。其執(zhí)行過程主要分為4個步驟：1)確定系統(tǒng)級事故和系統(tǒng)級危險。2)建立控制反饋結(jié)構(gòu)。3)識別不安全控制行為(Unsafe Control Action,UCA)，STPA中定義4種不安全控制行為，即未提供控制行為、提供不安全的控制行為、錯誤的時機提供控制行為、控制行為結(jié)束過早或作用時間太長 。4)分析不安全控制行為的致因[13]。

2 裝配式建筑吊裝施工STPA分析

2.1 確定系統(tǒng)級事故和危險

系統(tǒng)級事故是指導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生損失的意外事件[14]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部每年通報的《全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況》，并結(jié)合裝配式建筑施工組織特點，梳理裝配式建筑吊裝施工階段極易發(fā)生的3類施工安全事故，主要包括高空墜落、物體打擊、起重傷害，見表1。

表1 吊裝施工中的系統(tǒng)級事故

系統(tǒng)級危險是指系統(tǒng)的狀態(tài)或條件，處于特定的最不利環(huán)境條件將會導(dǎo)致事故(損失)發(fā)生[14]。通過裝配式建筑吊裝施工過程中極易發(fā)生的系統(tǒng)級事故來分析系統(tǒng)級危險，其主要包括吊裝連接部位失效、吊裝機械失效、吊裝操作失誤和管理缺陷，見表2。

表2 吊裝施工中的系統(tǒng)級危險

2.2 建立控制反饋結(jié)構(gòu)

控制反饋結(jié)構(gòu)主要由控制器、執(zhí)行器、控制過程和傳感器4個組件構(gòu)成，其中執(zhí)行器根據(jù)控制器給出的任務(wù)要求控制受控對象，傳感器監(jiān)測受控過程的執(zhí)行狀態(tài)并向控制器反饋。根據(jù)裝配式建筑吊裝施工的實際情況，建立如圖1所示的控制反饋結(jié)構(gòu)。施工單位作為控制反饋結(jié)構(gòu)中的較高層級，與現(xiàn)場項目部形成上下層級的指導(dǎo)和約束關(guān)系；現(xiàn)場項目部是該控制回路的控制器，向作業(yè)人員(執(zhí)行器)提出任務(wù)要求和進行技術(shù)指導(dǎo)；作業(yè)人員在執(zhí)行具體施工工序過程中，可能遇到外部因素的干擾，如環(huán)境、組織、技術(shù)、交互等；監(jiān)測系統(tǒng)(傳感器)是用來監(jiān)測吊裝施工的實際狀態(tài)，并將施工信息反饋給控制器。

圖1 吊裝施工控制反饋結(jié)構(gòu)

2.3 不安全控制行為

在裝配式建筑吊裝施工過程中，主要控制行為有執(zhí)行安全技術(shù)交底、吊裝準(zhǔn)備、預(yù)制構(gòu)件吊運及安裝、構(gòu)件調(diào)整校正及臨時固定和安裝質(zhì)量驗收，其行為主體為現(xiàn)場項目部和作業(yè)人員。按照STPA方法的執(zhí)行步驟進行具體分析，得出吊裝施工過程中的不安全控制行為及可能造成的危險見表3。

表3 吊裝施工不安全控制行為

2.4 不安全控制行為的致因分析

在基于引導(dǎo)詞分類識別出可能的不安全控制行為后，需要分析導(dǎo)致不安全控制行為的具體原因。根據(jù)吊裝施工過程的控制反饋結(jié)構(gòu)，從主動控制和反饋2個方面分析吊裝施工中不安全控制行為的致因。

1)不安全控制行為的主動控制致因

①A1安全技術(shù)交底階段

A11：現(xiàn)場負(fù)責(zé)人員在進行安全技術(shù)交底時，僅口頭交代施工方案中的安全管理要求；A12：在進行安全技術(shù)交底時，作業(yè)人員安全意識水平不高，對技術(shù)交底的內(nèi)容重視程度不夠。

②A2吊裝準(zhǔn)備階段

A21：作業(yè)人員盲目自信，未觀測預(yù)制構(gòu)件是否基本水平以及各個吊點是否全部受力；A22：吊裝過程中交叉作業(yè)的協(xié)調(diào)管理不到位；A23：作業(yè)人員未提前判斷吊裝機具是否處于正常狀態(tài)，未進行有效維護保養(yǎng)；A24：吊索吊具存在缺陷，導(dǎo)致構(gòu)件連接部位失效；A25：因作業(yè)人員操作技術(shù)水平不過關(guān)，導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件綁扎不牢靠；A26：作業(yè)人員吊索具選擇不當(dāng)，極易導(dǎo)致吊索具磨損和構(gòu)件連接不到位。

③A3構(gòu)件吊運及安裝

A31：預(yù)制構(gòu)件本身設(shè)計不合理，存在質(zhì)量問題，以致吊運過程中發(fā)生構(gòu)件破環(huán)；A32：作業(yè)人員安全意識水平不高，在進行臨邊作業(yè)(或高處作業(yè))時佩戴安全防護措施不到位；A33：安全文明措施費投入不足，導(dǎo)致吊裝作業(yè)安全防護措施不完備；A34：作業(yè)人員僅憑經(jīng)驗來判斷構(gòu)件重量是否符合起重機荷載，未進行受力檢測；A35：塔吊駕駛員狀態(tài)不佳，導(dǎo)致操作存在失誤或者違章操作；A36：信號員和塔吊駕駛員配合不協(xié)調(diào)，技術(shù)水平不過關(guān)；A37：信號員未嚴(yán)格按照安全規(guī)程發(fā)出信號指令或判斷失誤；A38：外部環(huán)境(如氣候狀況、吊裝現(xiàn)場環(huán)境)影響塔吊駕駛員的正常作業(yè)；A39：遇到需停止作業(yè)的情況時，現(xiàn)場作業(yè)人員未能提供應(yīng)急措施；A310：塔吊功能出現(xiàn)故障或失效導(dǎo)致吊裝失誤；A311：現(xiàn)場管理人員未執(zhí)行有效的監(jiān)管職責(zé)，以致作業(yè)人員不安全操作。

④A4構(gòu)件調(diào)整及臨時固定

A41：預(yù)制構(gòu)件本身存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致作業(yè)人員安裝偏位；A42：作業(yè)人員未按照控制線調(diào)整預(yù)制構(gòu)件，導(dǎo)致安裝失誤；A43：臨時支撐桿老化，或保存環(huán)境差引起的質(zhì)量問題；A44：作業(yè)人員未按照吊裝專項施工方案搭設(shè)臨時支撐，導(dǎo)致臨時支撐體系搭設(shè)質(zhì)量差；A45：作業(yè)人員之間配合不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致操作失誤。

⑤A5安裝質(zhì)量驗收

A51：安全技術(shù)交底不到位，導(dǎo)致作業(yè)人員忽略安裝質(zhì)量驗收；A52：作業(yè)人員未嚴(yán)格按照規(guī)范進行安裝質(zhì)量驗收。

2)A6不安全控制行為的反饋致因

A61：當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到吊裝施工過程中的危險狀態(tài)，現(xiàn)場管理人員未采取應(yīng)急措施；A62：有關(guān)吊裝施工過程的信息反饋不正確或者發(fā)生延遲。

2.5 吊裝施工安全風(fēng)險因素

根據(jù)STPA分析結(jié)果，按照吊裝操作失誤、吊裝機械失效、吊裝連接部位失效、管理缺陷和環(huán)境干擾5類系統(tǒng)級危險來劃分影響裝配式建筑吊裝施工安全的風(fēng)險因素，見表4。

表4 吊裝施工安全風(fēng)險因素

3 裝配式建筑吊裝BN模型

3.1 構(gòu)建BN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BN是1種概率網(wǎng)絡(luò)，其中變量由節(jié)點表示，變量之間的概率依賴關(guān)系由有向箭頭表示，并且每個節(jié)點上都被賦予條件概率,用于表示父子節(jié)點的不確定性因果關(guān)系。根據(jù)不安全控制行為的致因分析，構(gòu)建BN模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖2。其中，除安全風(fēng)險R的狀態(tài)分為高風(fēng)險(H)、中風(fēng)險(M)和低風(fēng)險(L)，其他節(jié)點的狀態(tài)均用發(fā)生(Y)和未發(fā)生(N)表示。

圖2 吊裝施工安全風(fēng)險BN模型

3.2 確定模型參數(shù)

1)專家語言模糊化

模型的參數(shù)包括根節(jié)點的初始概率和中間節(jié)點的條件概率。通過對專家進行問卷調(diào)查來計算各節(jié)點的發(fā)生概率。專家可以選用很低(VL)、低(L)、偏低(FL)、中等(M)、偏高(FH)、高(H)和很高(VH)7個語言變量表示節(jié)點的發(fā)生概率，各語言變量對應(yīng)的具體模糊數(shù)表現(xiàn)形式見表5[15]。

表5 模糊數(shù)形式

2)專家模糊評判聚類

為降低個別專家意見的主觀性，保證專家意見不同的一致性，本文將采用相似性聚合方法(Similarity Aggregation Method，SAM)來整合專家的模糊意見[16]，具體包括以下6點操作步驟：

(1)

式中：Smn為專家m和專家n意見的相似度；ai和bi為專家意見中第i模糊數(shù)，結(jié)果在0～1之間，相似度隨著值的增加而增加。

②計算專家意見平均一致度如式(2)所示：

(2)

式中：AAm為專家意見的平均一致度；M為專家數(shù)量。

③計算專家意見相對一致度如式(3)所示：

(3)

式中：RAm為專家意見的相對一致度。

④計算專家一致性系數(shù)如式(4)所示：

CCm=β·ωm+(1-β)RAm

(4)

式中：CCm為專家一致性系數(shù)；ωm為專家的權(quán)重，按照專家職稱、年齡、經(jīng)驗3個標(biāo)準(zhǔn)來計算專家權(quán)重系數(shù)；β表示ωm比RAm的相對重要程度，取0.5。

⑤專家模糊意見匯總?cè)缡?5)所示：

(5)

⑥專家意見去模糊化。通過采用均值面積法進行去模糊化處理如式(6)所示:

(6)

4 實例分析

4.1 工程概況

以湖北省荊門市某裝配式建筑項目為例，該項目總建筑面積14.2萬m2，主體結(jié)構(gòu)采用裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，其中外墻、樓板、樓梯等均采用預(yù)制構(gòu)件，總體預(yù)制率約為40%，裝配率為50%。

4.2 計算模型參數(shù)

根據(jù)已經(jīng)建立的裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險BN模型和項目相關(guān)信息，邀請從事裝配式建筑領(lǐng)域的7位專家評判模型中根節(jié)點的先驗概率和父子節(jié)點間的條件概率，并經(jīng)過反復(fù)修正，將獲得的數(shù)據(jù)作為變量參數(shù)輸入Netica軟件中，每個節(jié)點的概率由貝葉斯推理生成。以根節(jié)點C1為例，根據(jù)專家調(diào)查法收集到7位專家的模糊意見分別為L，VL，VL，L，F(xiàn)L，L，L，并結(jié)合SAM方法整合專家意見，獲取節(jié)點的先驗概率，具體數(shù)據(jù)見表6，其中根節(jié)點C1的先驗發(fā)生概率為0.141?？紤]到篇幅限制，僅給出C4的條件概率見表7。

表6 針對節(jié)點C1的專家意見整合

表7 C4的條件概率

4.3 正向因果推理

因果推理可用于計算多種復(fù)雜風(fēng)險因素作用下的安全風(fēng)險發(fā)生概率，從而幫助決策者提前防范風(fēng)險?；谏鲜鰳?gòu)建的BN模型，采用Netica軟件推斷裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險概率。通過貝葉斯推理得到吊裝施工安全風(fēng)險的先驗概率P(R=H)=7.9%，P(R=M)=30%,P(R=L)=62.1%，根據(jù)最大隸屬性原則，說明該裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險狀態(tài)處于相對較低水平。

當(dāng)改變父節(jié)點的先驗概率，子節(jié)點的概率會隨貝葉斯推理發(fā)生相應(yīng)改變。以安全風(fēng)險R的父節(jié)點為例，當(dāng)B3節(jié)點發(fā)生概率設(shè)置為100%時，安全風(fēng)險的高風(fēng)險狀態(tài)概率從7.9%增加到22.6%。此外，當(dāng)B2和B3節(jié)點同時發(fā)生時，安全風(fēng)險的高風(fēng)險狀態(tài)概率從7.9%增加到43.8%，說明多風(fēng)險因素作用下，安全風(fēng)險概率變化程度大于單因素作用下的變化程度。這一結(jié)論與實際情況相符，證明BN模型是有效的。

4.4 反向診斷推理

診斷推理主要根據(jù)BN計算調(diào)查給定結(jié)果的各種概率，可以進行逆向推理和分析，實時診斷和揭示影響事故發(fā)生的主要原因。在給定安全風(fēng)險P(R=H)=1的條件下，通過Netica軟件計算，各節(jié)點的后驗概率見圖3和表8。

圖3 各節(jié)點的先驗概率和后驗概率

表8 風(fēng)險因素后驗概率

根據(jù)軟件計算結(jié)果，吊裝連接部位失效B3的后驗概率最高，說明其導(dǎo)致裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險的可能性最大。為有效防止安全風(fēng)險的發(fā)生，需要對該問題進行排查。假定B3已經(jīng)發(fā)生，即P(B3=Y)=1，作為新的證據(jù)輸入BN模型，在這種情況下繼續(xù)進行反向診斷，其中吊索吊具存在缺陷C10的后驗概率最高。按照這個程序，不斷對節(jié)點的發(fā)生概率進行調(diào)整作為新證據(jù)輸入BN模型，進行下一輪風(fēng)險診斷，直到裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險得到有效控制。

4.5 敏感性分析

通過敏感性分析，可以確定網(wǎng)絡(luò)中的任一變量對任何其他變量的變化敏感，從而識別BN模型中對安全風(fēng)險影響最大的風(fēng)險因素。通過Netica軟件對安全風(fēng)險R進行敏感性分析，計算出各節(jié)點的互信息(Mutual Information,MI)值，其能夠衡量各節(jié)點對于節(jié)點R的影響程度。當(dāng)MI值越大，表明該節(jié)點的較小變化將對節(jié)點R造成較大影響。具體的MI值見表9。

表9 風(fēng)險因素排序

由表9可以看出，起重機械超負(fù)荷運行C7、現(xiàn)場安全管理不到位C13和吊索吊具存在缺陷C10這3個風(fēng)險因素對吊裝安全風(fēng)險的影響更大，是需要著重關(guān)注的風(fēng)險因素。這3種最為重要的風(fēng)險因素存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，其中節(jié)點C7和節(jié)點C10均受節(jié)點C13的影響，說明提高現(xiàn)場施工安全管理水平可有效減少起重機械超負(fù)荷運行和吊索吊具存在缺陷的情況的發(fā)生。具體措施包括：1)加強現(xiàn)場對起重機械荷載的監(jiān)控，嚴(yán)格管控起重機械安全檢查以及定期對起重機械進行維修保養(yǎng)。2)制定吊索具的檢查標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)控吊索具的安全檢查。3)投入充足的安全措施費可提高現(xiàn)場安全的管理水平。對于關(guān)鍵風(fēng)險因素的重點監(jiān)管，制定合理的風(fēng)險管控措施，是保障裝配式建筑吊裝施工安全的重點。

5 結(jié)論

1)采用基于STAMP模型的STPA方法，分析裝配式建筑吊裝施工中導(dǎo)致危險狀態(tài)的不安全控制行為，進而識別其致因因素，并通過分類匯總構(gòu)建風(fēng)險因素清單。

2)運用模糊BN模型的正向因果推理，計算裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險的狀態(tài)概率，通過反向診斷推理揭示影響吊裝過程中安全事故發(fā)生的主要風(fēng)險因素，分析結(jié)果驗證模型的有效性。

3)通過對風(fēng)險因素進行敏感性分析，可有效考慮風(fēng)險因素對安全風(fēng)險的影響。在裝配式建筑吊裝施工過程中需要加強現(xiàn)場安全管理水平、保障起重機械的安全檢查次數(shù)和嚴(yán)控吊索具的檢查標(biāo)準(zhǔn)，可有效減少施工安全風(fēng)險。